(57)【要約】【課題】スプリングリターン機構付きＶＣＭの振動を抑制する。【解決手段】制御部３０は、ボイスコイルモータ１１０の目標ストローク量を指示する指令値を受け、制御信号Ｖ２を生成する。制御信号Ｓ２は、移動前のストローク量に対応する初期値から目標ストローク量に対応する目標値に向けて、ボイスコイルモータ１１０の共振周波数の逆数の整数倍の遷移時間にわたり直線的に変化する。駆動電流生成部１０は、ボイスコイルモータ１１０のコイルに、制御信号Ｓ２に応じた駆動電流Ｉｄｒｖを供給する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
スプリングリターン機構付きボイスコイルモータの駆動回路であって、
前記ボイスコイルモータの目標ストローク量を指示する指令値を受け、制御信号を生成する制御部であって、前記制御信号は、移動前のストローク量に対応する初期値から前記目標ストローク量に対応する目標値に向けて、前記ボイスコイルモータの共振周波数の逆数の整数倍の遷移時間にわたり直線的に変化する制御部と、
前記ボイスコイルモータのコイルに、前記制御信号に応じた駆動電流を供給する駆動電流生成部と、
を備えることを特徴とする駆動回路。
【請求項２】
前記遷移時間は、前記共振周波数の逆数の１倍であることを特徴とする請求項１に記載の駆動回路。
【請求項３】
前記制御部は、デジタルの制御信号を生成する演算部を含み、
前記遷移時間をτ、前記制御信号のサンプリング周期をＴｓ、前記ストローク量の初期値をｘ１、目標値をｘ２とするとき、前記演算部は、前記制御信号の値を、（ｘ２−ｘ１）×Ｔｓ／τずつ変化させることを特徴とする請求項２に記載の駆動回路。
【請求項４】
前記制御部は、
キャパシタと、
前記キャパシタを充電する第１電流源と、
前記キャパシタを放電する第２電流源と、
前記第１電流源および前記第２電流源を制御する演算部と、
を備え、
前記キャパシタに生ずる電圧を、前記制御信号として出力し、
前記演算部は、前記制御信号を増大させるとき、前記第１電流源を前記遷移時間の間アクティブとし、前記制御信号を減少させるとき、前記第２電流源を前記遷移時間の間アクティブとすることを特徴とする請求項１または２に記載の駆動回路。
【請求項５】
フォーカシングレンズと、
その可動子が前記フォーカシングレンズに連結されたリターン機構付きボイスコイルモータと、
前記ボイスコイルモータを駆動する請求項１から３のいずれかに記載の駆動回路と、
を備えることを特徴とするレンズモジュール。
【請求項６】
手ぶれ補正用レンズと、
その可動子が前記手ぶれ補正用レンズに連結されたリターン機構付きボイスコイルモータと、
前記ボイスコイルモータを駆動する請求項１から３のいずれかに記載の駆動回路と、
を備えることを特徴とするレンズモジュール。
【請求項７】
請求項５または６に記載のレンズモジュールと、
前記レンズモジュールを通った光を撮像する撮像デバイスと、
を備えることを特徴とする電子機器。
【請求項８】
スプリングリターン機構付きボイスコイルモータの駆動方法であって、
前記ボイスコイルモータの目標ストローク量を指示する指令値を生成するステップと、
前記ボイスコイルモータの共振周波数の逆数の整数倍の遷移時間にわたり、移動前のストローク量に対応する初期値から前記目標ストローク量に対応する最終値に向けて直線的に変化する制御信号を生成するステップと、
前記ボイスコイルモータのコイルに、前記制御信号に応じた駆動電流を供給するステップと、
を備えることを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スプリングリターン機構付きボイスコイルモータの制御技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
デジタルスチルカメラ、デジタルビデオカメラあるいは撮像機能付きの電子機器（たとえば携帯電話）には、フォーカシングレンズを位置決めするためのアクチュエータが設けられる。アクチュエータとしてはステッピングモータ方式、ピエゾ方式、ボイスコイルモータ（ＶＣＭ）方式等が採用される。
【０００３】
ＶＣＭは、そのコイルに流れる電流の向きに応じた直線方向に推進力を発生させることができる。たとえばＶＣＭにＨブリッジ回路を接続した場合、コイル電流の向きを切りかえることができ、正方向と負方向に推進力を得ることができる。
【０００４】
これに対して、スプリングリターン機構付きのＶＣＭが利用される場合がある。スプリングリターン機構付きＶＣＭは、第１の方向への推進力をコイルに駆動電流を供給することで発生し、それと反対の第２の方向への推進力を可動子に取り付けられたばね（スプリング）の力を利用して発生させる構造となっている。つまり電気的な駆動と力学的な駆動が併用されている。スプリングリターン機構付きＶＣＭを駆動する場合、そのコイルの一方向にのみ駆動電流を供給すればよく、駆動回路が簡素化できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−１２４９２号公報
【特許文献２】特開平９−２９８４３０号公報
【特許文献３】特開２００８−１１３５０６号公報
【特許文献４】特開２００８−０４３１７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ばねを有する振動系は、ばね定数Ｋと、質量Ｍで定まる共振周波数ｆｒを有する。
ｆｒ＝√（Ｋ／Ｍ）／２π    …（１）
電子機器の小型化にともない、スプリングリターン機構付きＶＣＭの小型化が要求されている。ＶＣＭが小型化すると、コイルのインダクタンスが小さくなり、また可動子の重量も小さくなることから、スプリングの力によって可動子、つまりレンズが振動するという問題が発生する。
【０００７】
レンズの振動を抑制するために、共振周波数ｆｒの周波数成分が除去されたスペクトルを有する駆動電流によって、ＶＣＭを駆動する方法が提案されている。具体的には、（１）ステップ波形を、共振周波数を除去する帯域除去フィルタＢＥＦによって波形整形し、駆動電流を生成する手法や、（２）波形整形された駆動信号をあらかじめ演算により計算してそれをメモリに格納しておき、駆動時に読み出す、といった手法が提案されている。これらの方法では、フィルタやメモリなどが必要となるため、ハードウェアの規模が大きくなるという問題がある。
【０００８】
本発明は係る課題に鑑みてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、スプリングリターン機構付きＶＣＭの振動を抑制可能な制御技術の提供にある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明のある態様は、スプリングリターン機構付きボイスコイルモータの駆動回路に関する。この駆動回路は、ボイスコイルモータの目標ストローク量（スライド量ともいう）を指示する指令値を受けて制御信号を生成する制御部と、ボイスコイルモータのコイルに、制御信号に応じた駆動電流を供給する駆動電流生成部と、を備える。制御部は、制御信号を、移動前のストローク量に対応する初期値から目標ストローク量に対応する目標値に向けて、ボイスコイルモータの共振周波数の逆数の整数倍の遷移時間にわたり直線的に変化させる。
【００１０】
この態様によると、可動子の残留振幅を抑制でき、セトリング時間を短縮できる。
【００１１】
遷移時間は、共振周波数の逆数の１倍であってもよい。この場合、セトリング時間を最も短くできる。
【００１２】
制御部は、デジタルの制御信号を生成する演算部を含んでもよい。遷移時間をτ、制御信号のサンプリング周期をＴｓ、ストローク量の初期値をｘ１、目標値をｘ２とするとき、演算部は、制御信号の値を、（ｘ２−ｘ１）×Ｔｓ／τずつ変化させてもよい。
【００１３】
本発明の別の態様は、レンズモジュールに関する。レンズモジュールは、フォーカシングレンズと、その可動子がフォーカシングレンズに連結されたリターン機構付きボイスコイルモータと、ボイスコイルモータを駆動する上述のいずれかの態様の駆動回路と、を備える。
【００１４】
本発明の別の態様は、レンズモジュールに関する。レンズモジュールは、手ぶれ補正用レンズと、その可動子が手ぶれ補正用レンズに連結されたリターン機構付きボイスコイルモータと、ボイスコイルモータを駆動する上述のいずれかの態様の駆動回路と、を備える。
【００１５】
本発明の別の態様は電子機器に関する。電子機器は、上述のいずれかのレンズモジュールと、レンズモジュールを通った光を撮像する撮像デバイスと、を備える。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、可動子の振動を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】実施の形態に係る駆動回路の構成を示す回路図である。
【図２】図１の駆動回路の動作を示す波形図である。
【図３】ストローク量を０から１６０に変化させるときの、ステップ量と、残留振幅および遷移時間の関係を示す図である。
【図４】変形例に係る制御部の構成を示す回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
図１は、実施の形態に係る駆動回路１００の構成を示す回路図である。図１には、駆動回路１００を備える電子機器２全体が示される。
【００１９】
電子機器２は、撮像機能付きの携帯電話、あるいはデジタルカメラ、ビデオカメラなどであり、ＣＰＵ（Central Processing Unit）３、レンズモジュール１１６および撮像デバイス１１８を備える。
【００２０】
レンズモジュール１１６は、いわゆるオートフォーカス機能を実現するために設けられ、フォーカシングレンズ１１４、ボイスコイルモータ１１０、駆動回路１００を含む。
【００２１】
ボイスコイルモータ１１０は、フォーカシングレンズ１１４を位置決めするアクチュエータであり、その可動子は、フォーカシングレンズ１１４と連結されている。ボイスコイルモータ１１０は、リターンスプリング機構を備え、その可動子はスプリング１１２と連接されている。
【００２２】
駆動回路１００は、ボイスコイルモータ１１０のコイルＬ１に駆動電流Ｉｄｒｖを供給し、レンズ１１４の位置を制御する。具体的には、駆動回路１００はコイルＬ１に駆動電流Ｉｄｒｖを流すことにより、可動子を第１の方向に変位させる。スプリング１１２は、可動子を第１の方向と反対の第２の方向に押し戻すように作用する。
【００２３】
ＣＰＵ３は、フォーカシングレンズ１１４を通過した像が、撮像デバイス１１８上で結像するように、フォーカシングレンズ１１４の目標位置を決定し、その目標位置に応じたボイスコイルモータ１１０のストローク量を指示する指令値Ｓ１を駆動回路１００に出力する。
【００２４】
以上が電子機器２全体の構成である。続いて駆動回路１００の構成を説明する。
【００２５】
駆動回路１００は、駆動端子Ｐ１、駆動電流生成部１０、制御部３０を備える。
【００２６】
駆動端子Ｐ１は、コイルＬ１の一端と接続される。コイルＬ１の他端は、固定電圧端子（たとえば電源端子Ｖｄｄ）と接続される。駆動回路１００が負電源を受けて動作する場合、固定電圧端子は接地端子であってもよい。また図１の駆動回路１００はコイルＬ１から駆動電流を吸い込むシンク型で構成されるが、当業者であれば、コイルＬ１に駆動電流Ｉｄｒｖを流し込むソース型としても構成できることが理解できよう。ソース型の場合、コイルＬ１の他端は接地端子と接続される。
【００２７】
制御部３０は、電子機器２からボイスコイルモータ１１０の目標ストローク量を指示する指令値Ｓ１を受け、アナログの制御信号Ｖ２を生成する。ボイスコイルモータ１１０およびスプリング１１２、フォーカシングレンズ１１４からなる振動系は、ばね定数Ｋと、質量Ｍで定まる共振周波数ｆｒを有する。
ｆｒ＝√（Ｋ／Ｍ）／２π    …（１）
【００２８】
駆動回路１００には、共振周波数ｆｒもしくはその逆数１／ｆｒに対応するデータが予め格納されており、あるいは、そのデータをＣＰＵ３から受信可能となっている。制御部３０は、制御信号Ｖ２を、移動前のストローク量に対応する初期値ｘ１から目標ストローク量に対応する目標値ｘ２に向けて、ある遷移時間τをかけて直線的に変化させる。遷移時間τは、整数ｎと、共振周波数ｆｒの逆数１／ｆｒで表される式（２）に従って設定される。
τ＝ｎ／ｆｒ      …（２）
本実施の形態においてｎ＝１である。つまり、遷移時間τは、共振周波数ｆｒの逆数に等しい。
【００２９】
制御部３０は、演算部３２およびＤ／Ａコンバータ３４を含む。演算部３２は、デジタルの制御信号Ｓ２を生成する。Ｄ／Ａコンバータ３４は、デジタルの制御信号Ｓ２をアナログの制御信号Ｖ２に変換する。
制御信号Ｓ２のサンプリング周期がＴｓであるとき、演算部３２は、制御信号Ｓ２の値を、式（３）のステップ量Δｘずつ変化させる。
Δｘ＝（ｘ２−ｘ１）×Ｔｓ／τ    …（３）
このような演算部３２は、カウンタを用いて簡易に生成することができ、具体的な生成アルゴリズムは特に限定されない。
【００３０】
駆動電流生成部１０は、ボイスコイルモータ１１０のコイルＬ１に、制御信号Ｖ２に応じた駆動電流Ｉｄｒｖを供給する。たとえば駆動電流生成部１０は、演算増幅器１２、トランジスタ１４、抵抗Ｒ２を含む。
【００３１】
トランジスタ１４および抵抗Ｒ２は、駆動端子Ｐ１と固定電圧端子（接地端子）の間に、つまりコイルＬ１に流れる駆動電流Ｉｄｒｖの経路上に直列に設けられる。制御信号Ｖ２は、演算増幅器１２の非反転入力端子へと入力される。トランジスタ１４と抵抗Ｒ２の接続点の電圧は、演算増幅器１２の反転入力端子にフィードバックされる。駆動電流生成部１０により生成される駆動電流Ｉｄｒｖは、以下で与えられる。
Ｉｄｒｖ＝Ｖ２／Ｒ２
【００３２】
なお駆動電流生成部１０の構成は、図１のそれには限定されず、その他の形式の電流源あるいは電圧源を用いてもよい。
【００３３】
以上が駆動回路１００の全体構成である。続いてその動作の概略を説明する。
図２は、図１の駆動回路１００の動作を示す波形図である。実線（i）は制御信号Ｓ２（すなわち駆動電流生成部１０が生成する駆動電流Ｉｄｒｖ）を、破線（ii）は、その制御信号Ｓ２を与えたときの実際のストローク量を示す。
【００３４】
共振周波数ｆｒが８５．３３３Ｈｚであるとき、遷移時間τは、τ＝１／８５．３３３＝１１．７（ｍｓｅｃ）に設定される。たとえばストローク量の初期値ｘ１＝０であり、ＣＰＵ３から、目標値ｘ２＝１６０を指示する指令値Ｓ１が入力されるとする。制御信号Ｓ２のサンプリング時間Ｔｓ＝０．９８ｍｓ（サンプリング周波数ｆｓ＝１０２４Ｈｚ）とすると、ステップ量Δｘは式（３）に従い、
Δｘ＝（ｘ２−ｘ１）×Ｔｓ／τ
＝（１６０−０）／１１．７×０．９８＝１３．４
で与えられる。
【００３５】
制御部３０は、１サンプリングごとに、制御信号Ｓ２の値をΔｘ＝１３．４ずつインクリメントしていく。その結果、駆動電流生成部１０が生成する駆動電流Ｉｄｒｖは、初期値ｘ１に対応する電流値から、目標値ｘ２に対応する電流値まで、遷移時間τにわたり直線的に変化する。
【００３６】
破線（ii）で示すように、遷移時間τの途中では、振動によって制御信号Ｓ２と実際のストローク量に誤差δが生ずるが、遷移途中の振動は、実際の用途においては特に問題とならない。そして、遷移時間τ経過後においては、ストローク量は目標値付近に安定化する。遷移時間τ経過後の振動（残留振幅という）は、実際の用途においては、十分に許容される範囲に収まっており、遷移時間τでセトリングしていると考えてよい。すなわち、遷移時間τとセトリング時間は等しくなっている。
【００３７】
このように、実施の形態に係る駆動回路１００によれば、１１．７ｍｓと十分に短い遷移時間τで、ストローク量を目標値に安定化させることができる。さまざまなレンズモジュールにおいて、共振周波数ｆｒは数十Ｈｚ〜百数十Ｈｚ程度であるため、仮にｆｒ＝３０Ｈｚであったとしても、遷移時間τは３３ｍｓ程度であるから、十分に高速な制御が可能である。
【００３８】
また、この駆動回路１００では、従来の駆動電流のスペクトルから共振周波数を除去するためのフィルタや、共振周波数が除去された制御信号を格納するメモリが不要となるため、ハードウェア規模を小さくすることができる。
【００３９】
図３は、ストローク量を０から１６０に変化させるときの、ステップ量Δｘと、残留振幅および遷移時間の関係を示す図である。なお、図３の関係を、当業者の一般的な技術常識と捉えてはならず、本発明者らが初めて見いだしたものである。
【００４０】
一般的に知られた傾向として、ステップ量Δｘを小さくするほど、遷移中の振幅ならびに残留振幅を小さくできる。しかしながら、ステップ量Δｘを小さくすれば、遷移時間τが長くなる。反対に、ステップ量Δｘを大きくすれば、遷移時間τは短くできるが、残留振幅は大きくなり、結果としてセトリング時間が長くなってしまう。
【００４１】
本発明者らはさらに詳細にステップ量Δｘと残留振幅の関係について検討し、図３に示すように、ステップ量が離散的なある値をとるときに、残留振幅が小さくなることを見いだした。残留振幅が最小となるステップ量は、共振周波数ｆｒの逆数１／ｆｒの整数倍となる遷移時間τを与える。言い換えれば、遷移時間τを共振周波数ｆｒの逆数１／ｆｒの整数倍とすることにより、ステップ量Δｘを大きくしても、残留振幅を小さくすることができる。
【００４２】
実施の形態では、ｎ＝１の場合を説明したが、ｎは２以上であってもよい。ただし、ｎを大きくするほど遷移時間（セトリング時間）τは長くなるため、ｎ＝１の場合が最も好ましい。
【００４３】
以上、本発明について、実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。以下、こうした変形例について説明する。
【００４４】
実施の形態では、演算部３２およびＤ／Ａコンバータ３４を含む制御部３０を説明したが、制御信号Ｖ２の生成手段はこれには限定されない。図４は、変形例に係る制御部３０ａの構成を示す回路図である。
【００４５】
制御部３０は、キャパシタＣ１、第１電流源ＣＳ１、第２電流源ＣＳ２、演算部３２を備える。第１電流源ＣＳ１、第２電流源ＣＳ２は、可変電流源であり、指定された電流量を、指定された期間、生成可能に構成される。キャパシタＣ１が、第１電流源ＣＳ１が生成した電流Ｉｃ１によって充電されると、アナログの制御信号Ｖ２は、一定の傾きで上昇する。キャパシタＣ１が、第２電流源ＣＳ２が生成した電流Ｉｃ２によって放電されると、アナログの制御信号Ｖ２は、一定の傾きで下降する。
【００４６】
演算部３２は、アナログの制御信号Ｖ２が、移動前のストローク量に対応する初期値ｘ１から目標ストローク量に対応する目標値ｘ２に向けて、共振周波数ｆｒの逆数（１／ｆｒ）の整数倍の遷移時間τにわたり直線的に変化するように、第１電流源ＣＳ１、第２電流源ＣＳ２を制御する。遷移時間τは、上述した式（２）で与えられる。
【００４７】
ストローク量を増加させる際には、演算部３２は、第２電流源ＣＳ２を非アクティブとし、第１電流源ＣＳ１を遷移時間τの期間、アクティブとする。このとき第１電流源ＣＳ１が生成すべき電流Ｉｃ１は、式（４）で与えられる。
Ｉｃ１＝Ｃ１×（ｘ２−ｘ１）／τ    …（４）
【００４８】
ストローク量を減少させる際には、演算部３２は、第１電流源ＣＳ１を非アクティブとし、第２電流源ＣＳ２を遷移時間τの期間、アクティブとする。このとき第２電流源ＣＳ２が生成すべき電流Ｉｃ２は、式（５）で与えられる。
Ｉｃ２＝−Ｃ１×（ｘ２−ｘ１）／τ    …（５）
【００４９】
この構成によれば、図１の制御部３０およびＤ／Ａコンバータ３４のセットと同様に、アナログの制御信号Ｖ２を生成することができる。
【００５０】
当業者であれば、図１あるいは図４の構成の他にも、制御信号Ｓ２あるいはＶ２を生成する回路を設計することができ、こうした回路も本発明の範囲に含まれる。
【００５１】
実施の形態では、フォーカシング用のレンズモジュールを説明したが、駆動回路１００の用途はそれには限定されない。たとえばボイスコイルモータ１１０は、手ぶれ補正用のレンズを駆動してもよい。
【００５２】
実施の形態にもとづき、具体的な語句を用いて本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が可能である。
【符号の説明】
【００５３】
Ｌ１…コイル、Ｐ１…駆動端子、２…電子機器、１０…駆動電流生成部、Ｒ２…抵抗、１２…演算増幅器、１４…トランジスタ、３０…制御部、３２…演算部、３４…Ｄ／Ａコンバータ、１００…駆動回路、１１０…ボイスコイルモータ、１１２…スプリング、１１４…フォーカシングレンズ、１１６…レンズモジュール、１１８…撮像デバイス。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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